Электрохимический синтез водорода и карбоната цинка под давлением

Еще более ценным побочным продуктом электролиза воды является тяжелая вода – хороший замедлитель  нейтронов в атомных реакторах. Кроме того, тяжелая вода используется в качестве сырья для получения  дейтерия, который в свою очередь  является сырьем для термоядерной энергетики.

Применение водорода:

Водород используется как  восстановитель ценных металлов и для  синтеза многих веществ. Применение водорода основано также на его способности  гореть с выделением большого количества теплоты. Особенно большое значение в перспективе будет иметь  водород как экологически чистое топливо, ибо при его сгорании образуются водяные пары, не отравляющие  атмосферу. Для осуществления этой идеи потребуется разработать экономически выгодные условия проведения реакции  разложения воды: Водород используют в качестве ракетного топлива.

Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей. Водород в ДВС меньше загрязняет окружающую среду локально (из-за низкого КПД получения водорода и сопряжённых дополнительных расходов на его сжатие, транспортировку, водород как энергоноситель для ДВС совершенно неперспективен), но также как и бензиновые/дизельные аналоги, потребляет и деградирует моторное масло и все остальные неэкологичные материалы, присущие двигателям внутреннего сгорания. В смысле экологии электромобили значительно лучше, перспективен также двигатель Стирлинга.

В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.[11

 

 

Глaвa 2. МЕТОДИКA ЭКСПЕРИМЕНТA

2.1 Растворы, реактивы, аппаратура, установка

1.Раствор  карбоната натрия-Na₂CO₃ 0,1 моль/л , 0,01моль/л

2.Диоксод углерода-СО  под давлением 1Мпа 

3. Два цинковых электрода 

4. Автоклав (Рис 2.1)

5. Диод 

6. Латер

Все растворы готовились на дистиллированной воде. Навески веществ, для приготовления растворов  и проведения исследований были взяты  на технических весах.

 

 

2.2 Устройство  автоклава 

В дипломной работе был  использован лабораторный автоклав, рассчитанный на давление до 1,0 Мпа. Исследования окислительных процессов проводили  в автоклаве. Автоклав представляет собой полный цилиндрический сосуд  с крышкой, который стягиваются  между собой болтами. Крышка и  автоклав изготовлен из коррозионно-устойчивого  титанового сплава. Автоклав оборудован вентилями для ввода и вывода  газа и манометром для измерения  давления. Автоклава, отличающаяся тем, что внутри автоклава помещен  стакан из нержавеющей стали или  пластика,  куда заливают электролит и опускают две цинковых пластинки.[32] Схема автоклава приведена на рис 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 1. Схема автоклава: 1-корпус; 2-прокладка; 3-болты; 4-гайки; 5-шайбы; 6-вентель; 7-манометр; 8-переходник; 9-штуцер; 10-крышка.

2.3 Методика получения  экспериментальных данных и их  анализ

Способ получения углекислого  цинка электролизом водного раствора, насыщенного диоксидом углерода под давлением 0,9-1Мпа, путем анодного растворения отличается тем, что  процесс осуществляется в растворе карбоната натрия Na₂CO₃ 0,1-0,01моль/л за счет замыкания электродов во внешней цепи. Электрохимический процесс осуществляется при переменном токе, разных  плотностях тока  которые составляет 2-2,5-3А/дм². Время протекания реакции составляет от 1 до 2,5 часа.

 Сущность, данного метода  заключается в том, что технология  получения карбоната цинка протекает  в герметичном автоклаве. Готовят  раствор карбоната цинка 0,1-0,01 моль/л с помощью дистиллированной  водой, в колбе на 1литр. В автоклав  ставится пластмассовый стакан  для протекания в нем электрохимической  реакции, куда наливается приготовленный  раствор карбоната цинка 350 мл. В качестве анода и катода  служат металлические цинковые  пластинки, которые крепко закреплены  к крышке   автоклава. Автоклав  закрывается и циковые пластинки, опускаются в приготовленный раствор. Для того чтобы данная технология притекала под действием переменного тока, применяется латер и диод которые позволяют, получит переменный ток, для регулирования плотности тока используется амперметр. С помощью приводов они закрепляются между собой. Схема приведена на рис 2. Автоклав герметично закрывается с помощью болтов которые изображены  на Рис 1. Далее закачивается под давлением диоксид углерода (СО₂) из баллона и доводят до 0,5Мпа. Процесс электрохимический реакции идет в течении 2-2,5-3 часов. Под действием давления электрохимическая реакция протекаемая в автоклаве ускоряет между раствором и диоксидом углеродом. Переменный ток способствует повышению качества конечного продукта карбоната цинка за меньший промежуток времени.

Реакция которая проходит  в автоклаве:

Анод: Zn-2e^-=Zn₂⁺

Катод: 2H₂O+2e^-=2OH^-+H₂

Zn²⁺+2OH^-=Zn(OH)₂

Zn(OH)₂+CO₂=ZnCO₃+H₂O

При протекании реакции выделяется водород, который легко отделяется от диоксида углерода.

 

 

Схема  рис 2.

Таб.№1

Т1	Автотрансформатор PH-250-2
Т2	Согласующий тр-ор 220/27V
VD1,VD2	Диод Д 242А
F	Вставка плавкая ВП1-2-1А
PA1	Амперметр
PV1	Вольтметр
Э	Электролизер

 

 

 

ГЛАВА III ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Закономерности  протекания катодных реакций  при повышенных давлениях диоксида  углерода в воде и водных  растворах электролитов 

         При изучении и сопоставлении  кинетических закономерностей, а растворах с различными значениями pH целесообразно сравнивать величины потенциала поляризованного электрода, а не величины перенапряжения [32]. Это обусловлено следующим. Если pH раствора меняется, то изменение перенапряжения связано не только со сдвигом потенциала поляризованного электрода, но и со сдвигом потенциала равновесного электрода. Поэтому изменение перенапряжения при переходе к раствору с другим значением pH уже не может служить характеристикой изменения потенциала поляризованного электрода.

В связи с осуществлением эксперимента в условиях создания различных  давлений диоксида углерода, а следовательно, создания различных значений pH растворов (см. раздел 3.1.3.) в настоящей работе при изучении кинетики электрохимических процессов принималась во внимание величина потенциала рабочего электрода, а не перенапряжения.

Выявленные в ходе анализа данных Тафеяевские участки были описаны уравнением ф = фраВн. + blgi, что находится в согласии с уравнением замедленного разряда при условии, ЧТО ф = фравн. + Л-

Наблюдаемые значения плотностей тока входят в интервал от 10'7 до 1 А/см2, для которого применение тафелевской зависимости правомерно без введения дополнительных допущений [32].

 

 

 

 

 

 

 

Рис3. Анодная (1) и катодная (2) потенциодинамические кривые, снятые на цинке в водном растворе карбоната натрия при Рсо₂ =0,05МПа

 

Табл.2 Оптимальный выход  карбоната цинка под давлением  СО₂ .

ZnCO3
Pco2=МПа	СNa2CO3	t0C	J=A/м2	Время, ч.	ВQ=г
0,4	0,01	20-25	230	2	1,2
0,5	0,1	20-25	250	2,5	1,5
0,6	0,1	20-25	280	3	1,6

 

Как видна из таблицы №2 наиболее оптимальный выход карбоната  цинка ZnCO₃ под давлением диоксида углерода при переменном токе  является плотности тока равное Рсо2=0,6Мпа. При использовании переменного тока карбонат цинка равномерно осаждается, на цинковом пластинке. Процесс может протекать как на катоде так и на аноде при переключении переменного тока.

 

 

3.2. Электрохимический синтез карбонатов цинка при повышенном давлении диоксида углерода

         Ранее указывалось об условиях образования карбонатов цинка - накопление катионов соответствующего металла в растворе и интенсивное выделение газообразного водорода на катоде, тормозящее разряд катионов металла. Таким образом, оптимальные условия получения конечного продукта регламентировались катодными и анодными процессами. Анализ данных по кинетике катодных и анодных реакций на цинке позволил выявить оптимальный режим получения карбонатов цинка. Соответствующие результаты представлены в табл. 3. Как следует из табл.3, для дальнейших исследований были выбраны три среды – Н₂О; 0,01 М Na₂СОз и 0,1 М Na₂CO₃. Процесс осуществлялся при максимальном значении давления диоксида углерода (0,7 МПа); все данные получены при комнатной температуре (« 20 - 25° С). В качестве оптимального параметра был выбран потенциал как величина, имеющая более объективный характер: значение плотности тока может легко меняться в зависимости от площади электродов, близости подведенного капилляра Луггина-Габера к поверхности рабочего электрода и т.д., то есть от конструкции электрохимической ячейки в целом. Однако следует отметить, что при осуществлении балансовых опытов при определении выхода продукта по веществу контролируемым и поддерживаемым постоянным параметром явилась величина плотности тока катода и анода.

С целью определения оптимальной катодной и анодной плотностей тока на электродах установили необходимое значение потенциала; при этом фиксировалась соответствующая величина тока, а требуемое значение плотности тока достигалось путем варьирования площадей катода и анода. Малые величины плотностей тока компенсировались увеличением поверхности электродов. Так как процесс получения карбонатов цинка осуществляется под давлением СО₂ 0,7 МПа, то есть в достаточно кислой среде, конечным продуктом реакции явился растворимый гидрокарбонат цинка.

Выход по веществу карбоната  цинка определялся в соответствии с законом Фарадея. При этом непосредственным гравиметрическим измерениям предшествовал перевод карбонатом. Табл.3 содержит результаты балансовых опытов. Как следует из таблицы, выходы карбонатов цинка характеризуется довольно высокими значениями и колеблются в пределах 61 - 3%.  Для получения карбоната цинка был взят цинк марки ЦВ (содержанием цинка 99,99 %).

Данные эксперимента позволяют  сделать вывод об отсутствии в  целевом продукте - карбонате цинка - примесей РЬСОз, CdC03, Fe(OH)2, что свидетельствует о высокой степени чистоты целевого продукта. Полученный осадок подвергался тщательному многократному промыванию, отделению от жидкой фазы путем фильтрации и высушиванию.

Элект-  род	Н20		0,01 М Na2СO3		0,1 М Na2CO3
	φк, В	φа, В	φк, В	φа, В	φк, в	φа, В
Zn		Начиная  с-0,85		-0,68  -0,10	I	Начиная  с-0,60

 

Табл.№3 Оптимальный режим получения карбоната цинка(Рсо₂=0,7 Мпа, t=25⁰С)

 

 

 

 

 

 

 

Рис 4. Изменение стационарного потенциала цинкового электрода в зависимости от давления углерода в водном растворе карбоната натрия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выводы

Разработана технология получения  карбоната цинка под давлением  диоксида углерода с последуюшей ее прокаливанием при 350⁰С и получением цинковых белил, которая имеет широкое применение в современном мире. Применение переменного тока и диоксида углерода  качество конечного продукта возрастает. Технология является экологически чистым и позволяет легкий и доступным способом получить вторичный продукт как водород. В настоящее время разнообразный транспорт несёт ответственность за 23 % техногенных выбросов экологически опасных и парниковых газов в атмосферу Земли. Поэтому применения этого нетрадиционного сырья на сегодня с каждым годом возрастает. Особенно он востребован в автомобильной промышленности. Карбонат цинка найдет широкое применение в различных областях промышленности: лакокрасочной,  фармацевтической и т.д. Он является составной частью некоторых фармацевтических мазей, придающей им антисептические свойства. Карбонат цинка используется в качестве добавки при вулканизации каучука.

     Используемые в настоящее время технологии получения карбоната цинка не эффективны. Недостатком известных способов является то, что электролиз проводится при обычных условиях, в связи с чем возникает необходимость насыщения электролита в результате корректировки концентрации диоксида углерода за пределами электролизера и его очистки от следов электролита. Можно предложить более эффективную альтернативу - технологию получения карбоната цинка электролизом под давлением диоксида углерода. Большие перспективы имеют технологические процессы, связанные с использованием высоких давлений для ускорения химических реакций газообразных соединений с жидкостями. Кроме того, с ростом давления напряжение на электролизере уменьшается за счет снижения газонаполнения электролита и перенапряжения выделения водорода в кислой среде. Максимальный выход продукта по току составляет ~90-95%.Концентрация содержания карбоната цинка составляет 98%.